基于Licensed Assisted Access技術的退避算法設計與優化

王　爽，張　萌，董宏峰，張　欣（北京郵電大學無線理論與技術研究室，北京 100876）

基于Licensed Assisted Access技術的退避算法設計與優化

王爽，張萌，董宏峰，張欣
（北京郵電大學無線理論與技術研究室，北京 100876）

隨著無線寬帶網絡的發展，移動數據業務瘋狂增長，頻譜資源緊缺，為了擴充LTE容量，提高頻譜利用率，LAA技術，即在非授權頻段部署LTE網絡，與其它無線接入技術（如Wi-Fi技術）融合共存的問題，逐漸成為研究焦點。因此，競爭機制中退避算法的設計成為關鍵。本文主要針對Wi-Fi與LAA共存的場景，基于LBT競爭機制，設計了3種退避算法，并在ns-3仿真平臺上實現仿真，對比純Wi-Fi環境下的性能表現，對退避算法進行合理的優化。

非授權頻段，LAA，Wi-Fi，退避算法

最新數據表明，2015年第一季度，中國移動的數據流量業務大幅增長，總流量達4 903億兆，同比增長158%；同時，總通話時長和短信總量卻出現了不同程度的下降，總通話時長1.03萬億分鐘，同比下降1.3%，短信總量1 462億條，同比下降4.5%。近年來，隨著移動互聯網的發展，智能終端的普及，移動數據流量瘋狂的增長，這使得現有網絡容量壓力倍增，運營商雖然不斷升級4G網絡，同時新技術也在使每比特成本不斷降低，但是這種成本和收入的差距越來越大，網絡的升級還不足以滿足被激發出來的用戶需求。

在頻譜資源異常珍貴的今天，如何利用非授權頻段的免費頻譜資源，將LTE與Wi-Fi整合到同一頻段（如5 GHz頻段），成為未來通信產業發展的關鍵。

LTE與Wi-Fi這兩種技術本是定義在不同的頻段上工作，LTE的信道是獨享的，而Wi-Fi則部署在非授權頻段，需要通過競爭機制搶占信道，從而實現信道共享。如果LTE與Wi-Fi網絡部署在同一頻段，LTE的傳輸會嚴重干擾Wi-Fi系統的工作，Wi-Fi很難獲得接入信道的機會，從而無法進行數據傳輸，這兩者并不能友好共存。針對這一問題，LAA中競爭機制的設計尤為重要。

本文基于LBT（Listen Before Talk）技術中LBE（Load Based Equipment）競爭機制，通過ns-3仿真平臺，對不同場景，不同到達率下的性能表現做出比較分析，進而對退避算法做出優化。

1　LAA系統中的信道競爭模型

本文采用基于LBT技術的LBE機制來構建LAA系統中的競爭模型。如圖1所示，對于LBE機制，一旦SCE檢測到有數據要傳輸，就開始進行CCA（Clear Channel Assessment）檢測。若在整個CCA期間，檢測結果表明信道空閑，則可以進行數據傳輸，暫且設置Maximum Channel Occupancy Time（最長信道占用時長）為4 ms。在這段時間中，如果本次傳輸在4 ms以內被完成，可提前釋放信道，該節點與其它節點一起進入下一次的信道競爭過程。

收稿日期：2015-11-07

若檢測結果表明信道忙，或者該傳輸已經進行了4 ms，不可以再繼續進行數據傳輸，則開始進入退避過程，即ECCA（Extended CCA）過程：在［1，q］范圍內，產生一個隨機數N，在接下來的每個CCA Slot進行檢測，每檢測到一次信道空閑，退避時間計數器減1，即N-1，如果信道忙，則退避過程將被推遲，退避時間計數器被凍結。直到該隨機數減到0，節點可在下一CCA Slot開始傳輸數據。當多個節點同時競爭信道時，每個節點都經過退避過程，這樣就大大減少了產生發送沖突的概率。退避時間計算公式如下。

Backoff_time=Int［q×Rnd（）］×Slot_time（1）

其中，Int是取整函數；q是指數競爭窗口參數；Rnd（）能夠產生（0，1）之間的一個隨機數；Slot_time為ECCA過程中的檢測時隙。

圖1　基于LBE機制的信道競爭過程示意圖

2　退避算法的設計與優化

為了實現Wi-Fi與LTE在非授權頻段的友好共存，我們在LTE中加入了競爭機制，若產生碰撞則需退避，LAA如何在不干擾Wi-Fi的前提下，保證自己的傳輸，其中，退避窗口的設計則顯得尤為重要。

2.1基于確定模型的退避算法

確定模型即退避窗口q的取值固定不變，q=32。當退避過程開始時，在［1，32］之間隨機取值，產生退避窗口數。因退避窗口取值范圍較小，所以當網絡負荷過重時，此種算法有可能導致碰撞概率增加。

2.2基于用戶反饋的退避算法

在LAA場景中，發送方無法檢測到媒體中是否發生碰撞。因此，基站和用戶雙方需一種確認機制來保證異步業務傳輸的可靠性。基站通過競爭得到信道后直接發送數據幀，接收節點檢驗所收到的數據的循環冗余校驗碼CRC（Cyclic Redundancy Code），如果正確，則會反饋一個應答分組ACK（Acknowledgement）以表明沒有沖突發生，并且基站會分別將UE反饋回來的ACK數量與NACK數量記錄下來。

表1　信道檢測模型中忙時比率與退避窗口參數q的取值參考表

退避窗口參數q取值范圍在［X，Y］之間。在初始化時，q值為X，如果N_NACK/（N_ACK+N_NACK）的比率超過5%，則說明網絡負載較大或者鏈路狀況較差，那么q值在下一個ECCA檢測過程中增大一倍，否則q重置為最小的X值。當q達到最大的Y值時，q重置為X值。

2.3基于信道檢測的退避算法

在一個檢測時隙中，如果能量檢測超出預定門限值，該檢測時隙被標記為一個忙時隙，記為N_BUSY。否則，該時隙為空閑時隙，記為N_IDEL。則由N_BUSY/（N_BUSY+N_IDEL），可確定q值大小。優化后的映射關系如表1所示，忙時隙占比越大，網絡負荷越重，q取值越大。基于更新后的q值，再產生隨機的退避窗口數N。

2.4數學建模及分析

為分析競爭機制的性能，我們引用二

維離散時間Markov模型，如圖2所示。

首先做兩個假設。

（1）n個終端競爭同一無線信道時各終端總有數據分組等待發送，即各終端的發送隊列總是非空。

（2）在終端的每一次發送嘗試中，數據分組發生碰撞的概率p，恒定且互不相關。令b（t）表示一個終端的退避時間記數器的取值統計過程，t和t+1分別代表兩個連續時隙的開始，該記數器在每個時隙的開始時刻減1。令s（t）代表在時刻t終端的退避級數（0，…，m）的隨機過程，則b（t）取值范圍為（0，Wi-1），s（t）取值范圍為（0，m）。則可得二維離散時間Markov鏈｛s（t），b（t）｝的性能模型。圖中狀態｛i，j｝表示當前終端的退避等級為i，當前時隙回退計數器為j。當終端的回退計數器遞減到零時，則發送數據；如果發送成功，返回到｛0，0｝狀態；如果發送碰撞，退避等級加1，即退避窗口加倍，終端隨機產生新的回退偏移。

根據二維離散時間馬爾可夫鏈｛s（t）， b（t）｝的狀態轉移關系，可得｛s（t）， b（t）｝的一步轉移概率：

公式（2）表示在每個時隙開始時，退避計時器減1的概率為1；公式（3）表示一次成功發送后，新的數據幀從退避級數0開始，從［0，Wo-1］中等概率的取一個值；公式（4）表示一次不成功的傳輸后，退避計時器的退避級數加1，退避值從［0， Wi-1］中等概率地選取一個值；公式（5）表示當退避級數已經達到最大時，一次不成功傳輸時，退避計時器的選取方法。

圖2　二維離散時間Markov模型

令bi，k為該Markov鏈的穩態分布。根據狀態轉移圖有：

τ為一個終端在任意時隙發送的概率，該終端的退避計時器為0時開始傳輸，無論其退避級數是多少，可得到：

由以上對二維離散時間Markov模型的分析可得單個終端的傳輸特性，并可以獲得該終端在任一時隙傳輸幀的穩態概率τ。

其中，p為一次發送碰撞的概率。計算馬爾可夫鏈的平穩分布可得狀態P｛S（t）=i，b（t）=k｝的平穩分布。當退避計時器的值為0就發送，所以可得發送概率

另外，p表示發送的數據分組遇到碰撞的概率，也就是說在一個時隙時間內至少有一個其它的CLIENT在發送數據，所以可得一次發送碰撞概率p

通過上述分析，可以得到LTE節點的發送概率。通過LBT機制的設定，可以使得LTE和其它分享未授權頻段的系統獲得相較平等的發送信息的機會、占用時間以及吞吐量。

圖3　不同到達率下基于兩種場景的Wi-Fi系統平均吞吐量

3　仿真結果及分析

本文通過ns-3仿真平臺，分別在不同場景不同到達率的情況下進行了仿真。其一是純Wi-Fi環境，以該環境下的Wi-Fi性能為基準，與其余情況下的性能表現作對比。其二是Wi-Fi與LTE在非授權頻段下共存的LAA環境，在該場景中，又分別運用了3種退避算法進行仿真比較。

圖4　不同到達率下基于3種退避算法的LAA系統平均吞吐量

其中，網絡拓撲采用經典的部署方式，即運營商1部署4個AP，運營商2部署4個AP，加入LAA場景后，將運營商2的4個AP改為4個LAA基站，每個運營商分別服務20個用戶，隨機均勻分布在服務范圍內。業務模型采用FTP3模型，固定數據分組大小為4 Mbit，用戶分組到達服從參數為λ的泊松分布。載頻在5 GHz，系統帶寬為20 MHz，ECCA時長設置為9 us，最大傳輸時長設置為4 ms，CCA Threshold（空閑信道檢測）門限值為-60 dBm，退避機制中，X=16，Y=1 024。仿真結果如圖3、4所示。

由仿真結果可得出以下結論。

（1）確定模型。在這種算法下，退避窗口參數q不變，取值恒定為32，若參數的設置得當（ECCA=9 us），可以基本實現LAA與Wi-Fi的友好共存。但對比其余兩種算法，雖然確定模型中LAA性能更優，但Wi-Fi性能均為最差。尤其是在網絡擁塞較重的情況下，碰撞增加，確定模型無法應對過大的網絡負荷，導致LAA對Wi-Fi的性能不但沒有增益，反而有所干擾，Wi-Fi性能下降。所以該模型適合與網絡負荷較低，業務較少的場景。

（2）用戶反饋模型。在這種算法下，LAA與Wi-Fi實現了更加友好的共存，以犧牲一部分LAA性能為代價，使得Wi-Fi吞吐量增益更大。隨著網絡擁塞的增大，算法優勢愈加明顯。當到達率λ=0.4時，Wi-Fi增益36%；λ=0.7時，Wi-Fi增益54%，同時LAA性能也有所改善；λ=0.9時，Wi-Fi增益62%，此時LAA性能高于確定模型中的LAA性能。優化后的退避算法能夠在網絡擁塞的情況下，更大限度的降低碰撞概率，從而改善網絡性能，提高了信道資源分配的公平性與有效性。

（3）信道檢測模型。在這種算法下，仿真趨勢大體與用戶反饋模型相同。證明在參數設置（ECCA=9us）的情況下，信道檢測模型也可以保障Wi-Fi與LAA共存的公平性。但總體性能略遜于用戶反饋模型。

4　結語

本文通過非授權頻段上LAA與Wi-Fi共存時信道競爭情況的分析，基于LBT技術中LBE競爭機制，提出了3種合理的退避算法，使其在一定條件下能夠保障LAA與Wi-Fi的友好共存。通過ns-3仿真平臺，對不同場景，不同到達率下的性能表現做出比較分析，進而對退避算法做出優化。當網絡負荷較小時，成功傳輸的概率較大，確定模型能夠基本實現LAA與Wi-Fi的友好共存，使得LAA在增益Wi-Fi的同時，也保障了自身的優良性能；當網絡負荷增大，甚至達到嚴重擁塞的情況下，應采用用戶反饋算法或信道檢測算法，使得Wi-Fi與LAA獲得公平接入信道的機會，有效減小碰撞概率，保障各自的性能，實現友好共存。

［1］ 3GPP TR 36.889. Study on Licensed-Assisted Access to Unlicensed Spectrum［S］. 2015.

［2］ RWS-140025. 3GPP Workshop on LTE in unlicensed spectrum［R］，Sophia Antipolis， France， June 13th［S］. 2015.

［3］ 3GPP R1-153843. Downlink Channel Access for LAA， Cisco Systems［S］. 2015.

［4］ 3GPP R1-154622. On LBT and Scheduling Design for LAA Uplink，Ericsson［S］. 2015.

［5］ 3GPP R1-154791. WF on CW adjustment， Ericsson， Broadcom［S］. 2015.

［6］ 3GPP R1-154959. WF on CW adjustment based on HARQ-ACK feedback， Ericsson Samsung［S］. 2015.

［7］ 3GPP R1-154858. WF on eNB sensing based Cat4 LBT operation［S］. 2015.

［8］ 3GPP R1-154975. WF on CW adjustment based on eNB sensing，Qualcomm， Huawei， HiSilicon， LG， ZTE［S］. 2015.

［9］ Bianchi G Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function［J］. Selected Areas in communications， IEEE Journal on， 2000， 18（3）：512-547.

［10］ 馬春光，姚建盛. ns-3網絡模擬器基礎及應用［M］. 北京：人民郵電出版社：2014.

數據中心年度論壇成功召開 年度大獎榮耀綻放

由中國工程建設標準化協會（CECS）主辦，中國數據中心工作組（CDCC）、綜合布線工作組（CTEAM）聯合承辦的2015中國數據中心年度論壇暨中國優秀數據中心頒獎典禮于11月19～20日在北京新云南皇冠假日酒店成功召開。

年度論壇得到了業界的大力支持，Uptime Institute執行主席Martin McCarthy應邀在大會中做了以“數據中心、基礎設施和商業價值”為題目的主題演講，得到了來賓的贊許。來自The Green Grid （綠色網格）、UL、TUV NORD集團、騰訊、百度、阿里巴巴、設計院、領導企業等機構的50余位技術專家應邀在大會上也做了精彩的主題演講。同時，在會議現場，共有數據中心行業的54家企業集中展示了數據中心產品和解決方案。

年度論壇中揭曉了“2015年度中國優秀數據中心評選”活動中各大獎項。經過專家初審會和終審專家答辯會，有18個數據中心從眾多參評數據中心中脫穎而出，獲得中國數據中心標準化示范項目獎；20多個產品獲得中國數據中心工程建設產品應用獎；5家企業獲得了中國數據中心優秀名族品牌和7家企業獲得了中國數據中心優秀供應商稱號。

“為促進數據中心行業規范發展，發揮行業導向作用，提升數據中心優秀產品價值，強化行業榜樣力量。這是優秀數據中心評選的初衷。經過3年的發展，評選項目得到了數據中心行業廣泛關注和高度認可，評選活動收到了很好的效果。”評選委員會主席、中國數據中心專家技術委員會主任委員、中國數據中心工作組組長鐘景華先生介紹，“本次評選讓我們看到了很多非常優秀的數據中心，不論在設計上、技術上、運維管理上都有很多項目體現出可圈可點的創新之處，為數據中心行業的健康、快速發展貢獻力量。”

為了更好地服務數據中心行業，CDCC連續3年編制了《2015中國優秀數據中心手冊》，手冊中匯集所有獲獎項目、產品和優秀企業的詳細報道。

他山之石，可以攻玉。多個項目獲得者的技術專家與參會嘉賓共同分享了項目的成功經驗。深圳市英維克科技股份有限公司副總經理王鐵旺先生對其產品和解決方案進行了介紹，并接受了本刊專訪。

王總介紹，英維克主要是專注于數據中心機房與設備環境控制技術的企業。掌握著世界領先的制冷系統核心技術、控制技術、結構設計技術，擁有多項專利。經過多年積累，形成了數據中心和數據接入站點溫控及節能體系，通過了多種國內外認證，方案及產品已廣泛應用于中國及海外市場。解決方案包括數據中心機房溫控及節能解決方案、中小型機房溫控方案、微模塊機柜解決方案、集裝箱及模塊化數據中心解決方案、基站與接入站點溫控及節能解決方案、通信戶外機柜溫控及節能方案、特殊應用環境定制類溫控及節能方案。

王總認為針對數據中心制冷系統最大的挑戰就是創新，因為數據中心的規模不一樣，其追求的目標也不一樣。如有的數據中心追求更多的是節能，有的可能更多的追求是安全冗余和備份。這種情況下，如何去配置不同的制冷方案給數據中心，對公司來講是非常重要的事情。因此從制冷形式上來講，英維克采用風冷、乙二醇、冷凍水、制冷機構雙循環等不同的冷卻方式來適應不同的數據中心的冷卻方式。另外一種從形式上來講，目前數據中心變化非常大，并不是原有的機房專用水冷卻，還有靠近熱源式冷卻等，這些不同的形式才能構建一個針對不同數據中心的完整解決方案，這是給英維克帶來的挑戰。針對超大型、大型、中型這些不同數據中心對安全或節能的不同訴求，英維克會提供完整的綠色制冷解決方案，要在這些方面實現創新，才能夠降低數據中心的PUE。

數據中心年度論壇首次采用兩天時間，設置了多個會場，2 000人次代表蒞臨了本次論壇。

（本刊訊）

Design and optimization of back-off algorithm based on Licensed Assisted Access

WANG Shuang， ZHANG Meng， DONG Hong-feng， ZHANG Xin
（Wireless Theories and Technologies Lab， Beijing University of Posts and Telecommunications， Beijing 100876， China）

The expansion of wireless broadband access network deployments is resulting in increased scarcity of available radio spectrum. To expand LTE capacity， increase the service efficiency of spectrum， LAA deploy the LTE system in the unlicensed bands， coexist with other wireless access technologies （such as Wi-Fi）， which has become the focus of the research. Hence， It is the heart of the matter that how to design a reasonable competition mechanism on LAA system. This paper mainly studies the coexistence mechanism of running LTE and Wi-Fi system simultaneously in the unlicensed frequency bands and achieves the system-level simulation. Three kinds of back-off algorithms have been put forward and optimized.

unlicensed bands； LAA， Wi-Fi； back-off algorithm

TN929.5

A

1008-5599（2015）12-0083-05